La planète Beta Pictoris b est visible en orbite autour de son étoile hôte dans cette image composite du télescope de 3,6 m de l'Observatoire européen austral (ESO) et de l'instrument NACO sur le très grand télescope de 8,2 m de l'ESO. Le système Beta Pictoris n'a qu'environ 20 millions d'années, environ 225 fois plus jeune que le système solaire. L'observation de ce système dynamique et en évolution rapide peut aider les astronomes à faire la lumière sur les processus de formation des planètes et leur évolution précoce. Crédit :ESO/A-M. Lagrange et al.
La masse d'une très jeune exoplanète a été révélée pour la première fois à l'aide des données du vaisseau spatial de cartographie stellaire de l'ESA Gaia et de son prédécesseur, le satellite Hipparcos à la retraite depuis un quart de siècle.
Les astronomes Ignas Snellen et Anthony Brown de l'Université de Leiden, les Pays-Bas, a déduit la masse de la planète Beta Pictoris b du mouvement de son étoile hôte sur une longue période de temps, capturée par Gaia et Hipparcos.
La planète est une géante gazeuse semblable à Jupiter mais, selon la nouvelle estimation, est 9 à 13 fois plus massive. Il orbite autour de l'étoile Beta Pictoris, la deuxième étoile la plus brillante de la constellation Pictor.
La planète n'a été découverte qu'en 2008 sur des images capturées par le Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral au Chili. La planète et l'étoile n'ont qu'environ 20 millions d'années, soit environ 225 fois plus jeunes que le système solaire. Son jeune âge rend le système intrigant mais aussi difficile à étudier avec des méthodes conventionnelles.
"Dans le système Beta Pictoris, la planète vient essentiellement de se former, " dit Ignas. " Par conséquent, nous pouvons avoir une idée de la façon dont les planètes se forment et comment elles se comportent dans les premiers stades de leur évolution. D'autre part, l'étoile est très chaude, tourne vite, et ça vibre."
Ce comportement rend difficile pour les astronomes de mesurer avec précision la vitesse radiale de l'étoile - la vitesse à laquelle elle semble se déplacer périodiquement vers et loin de la Terre. De minuscules changements dans la vitesse radiale d'une étoile, causé par l'attraction gravitationnelle des planètes dans son voisinage, sont couramment utilisés pour estimer les masses des exoplanètes. Mais cette méthode fonctionne principalement pour les systèmes qui ont déjà traversé les premières étapes ardentes de leur évolution.
Dans le cas de Beta Pictoris b, les limites supérieures de la gamme de masse de la planète avaient été atteintes avant d'utiliser la méthode de la vitesse radiale. Pour obtenir une meilleure estimation, les astronomes ont utilisé une méthode différente, en tirant parti des mesures d'Hipparcos et de Gaia qui révèlent la position et le mouvement précis de l'étoile hôte de la planète dans le ciel au fil du temps.
"L'étoile bouge pour différentes raisons, " dit Ignas. " D'abord, l'étoile tourne autour du centre de la Voie Lactée, tout comme le Soleil. Cela apparaît de la Terre comme un mouvement linéaire projeté sur le ciel. Nous appelons cela un mouvement propre. Et puis il y a l'effet de parallaxe, qui est causée par la Terre en orbite autour du Soleil. À cause de ce, pendant l'année, nous voyons l'étoile sous des angles légèrement différents."
Et puis il y a quelque chose que les astronomes décrivent comme de « minuscules oscillations » dans la trajectoire de l'étoile dans le ciel – de minuscules écarts par rapport à la trajectoire attendue causées par l'attraction gravitationnelle de la planète dans l'orbite de l'étoile. C'est la même oscillation qui peut être mesurée via les changements de la vitesse radiale, mais dans une direction différente - sur le plan du ciel, plutôt que le long de la ligne de mire.
Les astronomes peuvent mesurer la masse des exoplanètes en examinant de minuscules écarts dans les trajectoires de leurs étoiles hôtes causées par l'attraction gravitationnelle des planètes en orbite. Ceux-ci peuvent être observés le long de la ligne de mire, à la recherche de petits changements dans la vitesse radiale d'une étoile, ou sur le plan du ciel, à l'aide de mesures astrométriques. Pour être en mesure de faire des évaluations précises, les observations astrométriques doivent couvrir une période de plusieurs années. Sur cette photo, la spirale en pointillés blancs montre l'évolution de la trajectoire d'une étoile observable depuis la Terre, causée par la combinaison de la parallaxe et du mouvement propre. La bande brune montre la gamme des déviations de la trajectoire de l'étoile causées par une éventuelle planète en orbite autour d'elle. Crédit :Agence spatiale européenne
"Nous examinons l'écart par rapport à ce que vous attendez s'il n'y avait pas de planète, puis nous mesurons la masse de la planète à partir de l'importance de cet écart, " dit Anthony. " Plus la planète est massive, plus l'écart est important."
Pour pouvoir faire une telle évaluation, les astronomes doivent observer la trajectoire de l'étoile pendant une longue période de temps pour bien comprendre le mouvement propre et l'effet de parallaxe.
La mission Gaïa, conçu pour observer plus d'un milliard d'étoiles dans notre Galaxie, sera à terme en mesure de fournir des informations sur un grand nombre d'exoplanètes. Au cours des 22 mois d'observations incluses dans la deuxième publication de données de Gaia, publié en avril, le satellite a enregistré l'étoile Beta Pictoris une trentaine de fois. Cette, cependant, n'est pas assez.
"Gaia trouvera des milliers d'exoplanètes, c'est toujours sur notre liste de choses à faire, " dit Timo Prusti, Scientifique du projet Gaia de l'ESA. "La raison pour laquelle les exoplanètes ne peuvent être attendues que tard dans la mission est le fait que pour mesurer la minuscule oscillation provoquée par les exoplanètes, nous devons suivre la position des étoiles pendant plusieurs années."
En combinant les mesures de Gaia avec celles de la mission Hipparcos de l'ESA, qui a observé Beta Pictoris 111 fois entre 1990 et 1993, permis à Ignas et Anthony d'obtenir leur résultat beaucoup plus rapidement. Cela a conduit à la première estimation réussie de la masse d'une jeune planète à l'aide de mesures astrométriques.
"En combinant les données d'Hipparcos et de Gaia, qui ont un décalage horaire d'environ 25 ans, vous obtenez un mouvement propre à très long terme, " dit Antoine.
"Ce mouvement propre contient également la composante causée par la planète en orbite. Hipparcos à lui seul n'aurait pas été en mesure de trouver cette planète car elle ressemblerait à une étoile unique parfaitement normale à moins que nous ne l'ayons mesurée pendant beaucoup plus longtemps.
"Maintenant, en combinant Gaia et Hipparcos et en regardant la différence dans le mouvement propre à long terme et à court terme, nous pouvons voir l'effet de la planète sur l'étoile."
Le résultat représente une étape importante vers une meilleure compréhension des processus impliqués dans la formation des planètes, et anticipe les découvertes passionnantes d'exoplanètes qui seront déclenchées par les futures publications de données de Gaia.
"La masse de la jeune planète Beta Pictoris b par le mouvement astrométrique de son étoile hôte, " de I. Snellen et A. Brown est publié dans Astronomie de la nature , 20 août 2018.
